开普勒-35AB双星系统，可能存在一颗地表被水覆盖的行星

　　从40亿到25亿年前的太古代到25亿到5.41亿年前的元古代，再到5.41亿年前到现在的新生代，地球演变史的每个时期虽然存在各种差异，但都有一个共同特征——大气层中的化学物质失衡。这是因为生物活动产生大量物质，让这些物质得以同时存在。

　　加州大学河滨分校的天体生物学家斯蒂芬妮·奥尔森表示：“‘类地行星’并不仅限于与现代地球类似的行星。实际上，这是一个范围很广的名词，包括各种各样的世界。类地行星包括与太古代类似的雾蒙世界；与‘雪球地球’时期类似的多冰世界；存在独特微生物生态系统的有毒世界；孕育出复杂智能生物的世界以及一系列我们尚未观测到的世界。”

　　过去几年，科学家发现了数千颗系外行星

　　奥尔森指出在几十亿年的地球演化史上，外星球的天文学家可能做出误判，认定地球是一个不毛之地，尽管已经有生命在地球海洋繁衍生息。在2018年发表于《科学进展》杂志上的一篇论文中，奥尔森和同事阐述了他们的研究，模拟地球大气层如何随时间推移发生改变。

　　30亿年前，外星人可以通过嗅探地球大气中的甲烷和二氧化碳推断出存在生命。大约5亿年前，地球演化出现代大气层。我们可以将现代大气层比作“搜寻生命的灯塔”。华盛顿大学的乔舒亚·克里森-托顿表示早期地球存在引人注目的生命线索。“在过去的40亿年，只要拥有一架大型望远镜，任何人都会发现地球生命的存在非常显而易见。如果说存在让外星人误判的因素，那就是很久以前地球上的生命遭遇过大灭绝。我认为我们可以邀请外星人造访地球，交流彼此对宇宙的认识。”

　　古代地球艺术概念图

　　科学家表示通过研究古代和现代地球的大气层成分，他们发现了能够揭示外星生物活动的特定化学构成。这些生物学信号能够提供一个关键工具，帮助科学家搜寻地外生命。在《科学进展》杂志上，科学家描述了这些生物学信号。研究论文主执笔人、华盛顿大学行星学家和天体生物学家大卫·卡特林表示：“我们的研究显示，可能存在一条能够引导我们在其它星球上发现生命的直接通道。毫无疑问，发现外星生命具有历史性意义。”

　　过去几年，科学家发现了数千颗系外行星，其中包括一些体积与地球相当并且处在母星适居区，允许液态水存在的多岩行星。对类地行星的可探测大气层进行研究能够提供至关重要的线索，帮助科学家判断它们是否有生命存在。

　　恒星LHS 1140与超级地球LHS1140b

　　随着更强大的新望远镜即将上线，研究人员试图确定应搜寻大气中的哪些化学物质。毕竟，即使一颗行星拥有生命形成所需的要素，也未必能够孕育出生命。科学家将目光聚焦一些潜在的“泄密”分子，例如甲烷。地球上的微生物产生大量甲烷，包括牲畜体内的微生物。不过，火山等非生物源头也能产生甲烷。

　　藻类、植物和微生物的光合作用产生大量分子氧（两个氧原子结合在一起）。不过，光合作用的机制非常复杂，一些科学家认为只有我们的星球演化出这种机制。这意味着没有人敢保证能够在其它星球发现生氧光合作用，哪怕这些星球有生命存在。

　　类地行星艺术概念图

　　研究论文合著者奥尔森指出，将希望寄托于个别化学物质可能产生假阳性或者假阴性。生物以非常复杂的方式改变它们的所处环境。是否有一种特定的分子混合，如果没有生命活动便无法存在？为了找到答案，克里森-托顿领导了一项研究，对太古代、元古代和新生代的地球大气层进行分析。每个时期的地球生命和地球本身都截然不同。这有助于科学家创建一系列模型，推测外星球生命的形态。

　　太古代、元古代和新生代虽然存在各种差异，但都有一个共同特征——大气层中的化学失衡。这是因为生物活动产生大量物质，让这些物质得以同时存在。以甲烷和氧为例，混合后会很快发生化学反应，彼此都将不复存在。不过，地球上仍存在大量甲烷和氧，这是因为生物一直没有停止“生产”。

　　詹姆斯·韦伯望远镜艺术概念图

　　卡特林表示：“如果你找到一个均衡系统，你会发现它是一个‘死系统’或者说没有生物活动。如果我们发现非比寻常的失衡现象，可能是生命存在的一个迹象。”上世纪60年代以来，科学家便开始讨论这种想法，但直到现在才得以量化。研究过程中，科学家利用每个时期大气层的已知化学成分进行模拟，以确定是否存在泄密的化学失衡。

　　研究人员发现在氧量极少的古生代，大气中的甲烷、氮、二氧化碳（以及液态水）共存，说明生物‘努力生产’。提到二氧化碳和甲烷的共存，奥尔森表示：“如果没有生物活动，我们真的很难解释每种气体的大量存在。”

　　TRAPPIST-1系统的7颗行星

　　在中元古代，随着生氧微生物的增多，氧、氮和液态水的混合物成为“泄密者”。奥尔森表示虽然大气中的氧量低到无法探测的地步，科学家可以将目光投向臭氧。这是因为臭氧（由三个氧原子构成）的产生过程涉及到生物生氧反应，同时会释放一个非常强烈的信号，即使水平很低，仍能被探测到。

　　混合氮-水的氧是新生代的泄密生物信号。这个时期的氧水平远超中元古代，更容易被探测到。一些化学物质“鸡尾酒”——包括甲烷和二氧化碳的混合——可以借助未来的望远镜进行探测，例如几年后发射的詹姆斯·韦伯天文望远镜。韦伯望远镜项目科学家、巴尔的摩太空望远镜科学研究所的尼克勒·刘易斯表示：“研究发现为未来的观测指明了方向。”

　　韦伯望远镜的反射镜正在接受测试

　　韦伯望远镜将对各种各样的行星进行观测，确定各种生物信号和一系列行星模板将起到至关重要的作用。这是因为我们发现的符合这些标准的行星越多，找到有生命星球的可能性越大。刘易斯说：“我们将发现大量样本，有望在样本中得出重大发现。”

　　科学家指出只有詹姆斯·韦伯以及其它能够探测到这些宇宙物质的望远镜走马上任，潜在生物信号的搜寻工作才能继续。奥尔森说：“目前，我们尚未做好在各种类地系外行星上识别生命的准备。对于非类地行星上的可能生命形态，我们也能想象。这是一个巨大的研究领域，我并不认为我们当前具备了相当的研究能力。不过，研究大气层的化学失衡可能是一个非常有前景的前进方向。”